岩石力学讲义(地应力).pdf

岩 石 力 学岩 石 力 学 Rock Mechanics 教师 蔚宝华 联系电话 010 89733911 11 电子邮箱 yubaohua73 第一节第一节概概概概 述述述述 一 天然应力的概念一 天然应力的概念 1 天然应力天然应力 人类工程活动之前 天然状态下 岩 体内部存在的应力 称为 人类工程活动之前 天然状态下 岩 体内部存在的应力 称为岩体天然应力或岩体 初始应力 岩体天然应力或岩体 初始应力 有时也称为 有时也称为地应力地应力 2 重布应力重布应力 人类进行工程建设将引起一定范围内 岩体初始应力的改变 工程建设扰动后的岩体 应力称为 人类进行工程建设将引起一定范围内 岩体初始应力的改变 工程建设扰动后的岩体 应力称为重布应力或二次应力重布应力或二次应力 重分布应力重分布应力 天然应力天然应力 第一节第一节第一节第一节 概概概概 述述述述 一般情况下一般情况下一般情况下一般情况下主地应力表示方法主地应力表示方法主地应力表示方法主地应力表示方法 H 地 表地 表 垂直主应力 垂直主应力 v v 水平最大主应力 水平最大主应力 H H 水平最小主应力 水平最小主应力 h h 概概概概 述述述述 地应力是场函数地应力是场函数 地应力又称为地应力场地应力又称为地应力场 有大小和方向有大小和方向 概概概概 述述述述 水平最大地应力水平最大地应力 水平最小大地应力水平最小大地应力 1 构成构成 岩体自重岩体自重 自重应力 自重应力 构造运动构造运动 构造应力 构造应力 流体作用流体作用 渗流应力 渗流应力 其它其它 地温 地球化学作用等 地温 地球化学作用等 二 天然应力的构成及起源二 天然应力的构成及起源 自重引起的天然应力场自重引起的天然应力场 1 21hh V gh 二 天然应力的构成及起源二 天然应力的构成及起源 2 起源起源 主要指构造运动的起源 主要指构造运动的起源 板块运动板块运动 地幔热对流地幔热对流 地球自转速度变化地球自转速度变化 二 天然应力的构成及起源二 天然应力的构成及起源 1 研究历史研究历史 1878年海姆提出天然应力年海姆提出天然应力 1932年 在美国胡佛水坝下的隧道中 首次成功 地测定了岩体中的天然应力 年 在美国胡佛水坝下的隧道中 首次成功 地测定了岩体中的天然应力 到目前天然应力测点遍布全球 有几十万个测点 大部分是浅部 最深 到目前天然应力测点遍布全球 有几十万个测点 大部分是浅部 最深5108米 美国密执安水压致 裂法 米 美国密执安水压致 裂法 三 天然应力的研究历史三 天然应力的研究历史 我国从我国从50年代末开始天然应力量测年代末开始天然应力量测 三 天然应力的研究历史与研究意义三 天然应力的研究历史与研究意义 西南 印度板块向西南 印度板块向NNE挤压挤压 东部 太平洋板块向东部 太平洋板块向W俯冲俯冲 北部 西伯利亚板块阻挡北部 西伯利亚板块阻挡 南部 菲律宾板块向南部 菲律宾板块向N俯冲俯冲 a r r 3 a 1 h H v H h maxplanes slip planes 1 1 2 2 3 1 2 3 3 主应力主应力 三轴试验三轴试验 应力状态应力状态 原地应力原地应力 在石油工程 中 我们通常 假设 v为 主应力之一 z 区块分布特征区块分布特征 Anderson理论理论 断层类型与主应力关系断层类型与主应力关系 正断层与地应力 典型应力状态 v 1 HMAX 2 Hmin 3 地垒 地堑结构 拉伸 倾角 v 1 HMAX 2 拉伸 hmin 3 走滑断层 拗断层 与地应力 v 2 hmin 3 HMAX 1 锐角 几乎垂直的断层面 HMAX hmin 伴生正断层 HMAX 典型应力状态 HMAX 1 v 2 Hmin 3 逆掩断层与地应力逆掩断层与地应力 compression static basal sheet overthrust sheet brittle quartz illite shale hinge points highly fractured zone largely unfractured shale A B C HMAX 1 v 3 overthrust sheet high p shale 四 进行地应力研究的意义 是所有地质力学问题中重要的初始条件 是所有地质力学问题中重要的初始条件 是勘探 钻井及油藏等石油工程的重要参数 是勘探 钻井及油藏等石油工程的重要参数 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数 是油气层增产改造措施制定的重要参数 是油气层增产改造措施制定的重要参数 A Borehole in a Stress Field z x y 1 2 3 p Effective stresses 1 1 p 2 2 p 3 3 p p pore pressure Here v 2 HMAX 1 hmin 3 and 1 2 3 Hole inclination parameters Coordinates parallel to earth s surface Principal stresses Principal stresses are usually parallel and normal to the surface Drilling Direction and Stress v HMAX hmin hmin HMAX v HMAX v hmin HMAX v hmin v hmin HMAX v hmin HMAX The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis 60 cone Drill within a 60 cone 30 from the most favored direction Favored hole orientation In highly differential stress fields the proper choice of an inclined hole facilitates drilling 第二节 地应力的测量方法第二节 地应力的测量方法 垂直地应力是由重力作用产生的 岩石的重量 垂直地应力是由重力作用产生的 岩石的重量 在任意深度 垂直地应力等于上覆岩层压力 在任意深度 垂直地应力等于上覆岩层压力 v gz 密度 重力加速度 深度 密度 重力加速度 深度 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力 垂直主应力的求取 水平主应力的求取 水平主应力的求取 在沉积岩中 地应力的大小一般应用下述方法获得 在沉积岩中 地应力的大小一般应用下述方法获得 构造地质力学方法构造地质力学方法 水力压裂法水力压裂法 室内岩心试验法室内岩心试验法 建立在测井资料上的方法 地应力的方向一般用下述方法获得 建立在测井资料上的方法 地应力的方向一般用下述方法获得 井壁崩落椭圆法井壁崩落椭圆法 压裂井井下电视法压裂井井下电视法 凯塞尔效应试验法测定地应力的原理凯塞尔效应试验法测定地应力的原理 AE Counts Load Kaiser effect point 岩石在施加载荷后 岩石内部产生微裂缝 而发出声波信号 当 岩石加载到曾受到的 最大应力状态时 其 发射的这种信号会明 显增大 用专用仪器 可以监测出这种信号 的变化 由此可测出 岩石在井下时所受的 应力 岩石在施加载荷后 岩石内部产生微裂缝 而发出声波信号 当 岩石加载到曾受到的 最大应力状态时 其 发射的这种信号会明 显增大 用专用仪器 可以监测出这种信号 的变化 由此可测出 岩石在井下时所受的 应力 室内岩心试验法 MTS岩石力学 实验装置 MTS岩石力学 实验装置 SAMOS多通道 声发射装置 SAMOS多通道 声发射装置 中国石油大学 北京 岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备 能 够完成凯塞尔 效应 单轴 三 轴抗压试验 水力压裂室内 试验等多项实 验 中国石油大学 北京 岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备 能 够完成凯塞尔 效应 单轴 三 轴抗压试验 水力压裂室内 试验等多项实 验 室内岩心试验法 声发射信号数声发射信号数 单轴压缩应力单轴压缩应力 凯塞尔效应点凯塞尔效应点 凯塞尔效应试验曲线示意图凯塞尔效应试验曲线示意图 45度 45度 凯塞尔效应试验取芯位置凯塞尔效应试验取芯位置 试验步骤 试验步骤 加工好的岩样套上橡胶封隔套 装入高压釜中 加工好的岩样套上橡胶封隔套 装入高压釜中 加围压至设定值 并使之保持恒定 加围压至设定值 并使之保持恒定 以恒定的加载速给岩样施加向载荷 记录下加载 过程中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 以恒定的加载速给岩样施加向载荷 记录下加载 过程中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 将向载荷卸致零 进行第二次加载 将向载荷卸致零 进行第二次加载 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲 线 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲 线 cp 2 1 2900900 h cp 2 1 2900900 H cpV KP P2tg1 2 2 KP P2tg1 2 2 KP P Kaiser效应试验结果的解释 现场水压致裂法 现场水压致裂法 根据多孔弹性介质力学理论 从井壁受力状态出发 通过测出地层破裂压力 裂隙重张压力 裂隙闭合压 力 可求出最大 最小水平主地应力 根据多孔弹性介质力学理论 从井壁受力状态出发 通过测出地层破裂压力 裂隙重张压力 裂隙闭合压 力 可求出最大 最小水平主地应力 水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应 力 测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度 渗 透率 孔隙连通性影响较大 水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应 力 测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度 渗 透率 孔隙连通性影响较大 A A maxh minh 1 1 2 21 2cos 3 1 2 1 2 2 2 4 4 2 2 2 2 p hHhH PP r R r R r R P r R 井周地层应力状态井周地层应力状态 after Gaarenstroom et al 1993 volume 监测裂缝扩展和关井后的压 力 准确确定最小主应力 监测裂缝扩展和关井后的压 力 准确确定最小主应力 典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线 典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线 出现剪切 裂缝 破裂漏失 停泵 裂缝闭合 裂缝重张 时间 井口压力 利用水力压裂试验数据计算地应力 地层破裂压力 地层破裂压力 Pf 地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力 地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力 Pr 使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底 压力 裂缝闭合压力 使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底 压力 裂缝闭合压力 PFcp 使一个存在的裂缝保持张开时的最小 井底压力 它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力 即最 小水平主地应力 瞬时停泵压力 使一个存在的裂缝保持张开时的最小 井底压力 它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力 即最 小水平主地应力 瞬时停泵压力 PISIP 关泵瞬间的裂缝中的压力 它一般大 于 关泵瞬间的裂缝中的压力 它一般大 于PFcp 两者之间的差别一般在 两者之间的差别一般在0 1 7MPa之间变化 它取 决压裂工艺及岩石性质 在低渗透性地层 两者近似相等 之间变化 它取 决压裂工艺及岩石性质 在低渗透性地层 两者近似相等 利用水力压裂试验数据计算地应力 利用水力压裂试验数据计算地应力 HFCP P min HHpft PPS maxmin 3 SPP tfr 构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位 在地 层倾角测井记录上 一条井径曲线比较平直或等于钻头直 径 而另一条井径曲线则比钻头直径大得多 而非应力孔 眼井径曲线上表现为 钻头孔截面没有明显的长轴方向 构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位 在地 层倾角测井记录上 一条井径曲线比较平直或等于钻头直 径 而另一条井径曲线则比钻头直径大得多 而非应力孔 眼井径曲线上表现为 钻头孔截面没有明显的长轴方向 井壁崩落椭圆法确定主应力方向 由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地 应力方向一致 即与最大水平地应力方向垂直 因此可借 用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向 由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地 应力方向一致 即与最大水平地应力方向垂直 因此可借 用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向 地层倾角测井确定地应力方位 主地应力方向主地应力方向 H 泥浆密度低 井壁坍塌泥浆密度低 井壁坍塌泥浆密度低 井壁坍塌泥浆密度低 井壁坍塌 椭圆井眼长轴在最小水椭圆井眼长轴在最小水椭圆井眼长轴在最小水椭圆井眼长轴在最小水 平地应力方位平地应力方位平地应力方位平地应力方位 坍塌 拉伸裂缝 破碎性地层井壁坍塌破坏规律 节理破碎地层塌块节理破碎地层塌块节理破碎地层塌块节理破碎地层塌块 大 井眼长轴在最大 井眼长轴在最大 井眼长轴在最大 井眼长轴在最 大水平地应力方位大水平地应力方位大水平地应力方位大水平地应力方位 完整地层塌块小 完整地层塌块小 完整地层塌块小 完整地层塌块小 井眼长轴在最小水井眼长轴在最小水井眼长轴在最小水井眼长轴在最小水 平地应力方位平地应力方位平地应力方位平地应力方位 地应力纵向分布规律计算 不同深度 不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同 即地应力不是随井深增加而 线性增大 对不同地层要分层计算地应力 地应力主要来自于上覆岩层的自重及